Технология конструкционных материалов2

50

и выпоров 8. Потом снимают и поворачивают на 180¸ верхнюю полуформу. Из обеих полуформ извлекают модели, заглаживают поврежденные места, присыпают припылом, устанавливают стержень в нижнюю полуформу, накрывают ее верхней полуформой, скрепляют и (или) нагружают форму для заливки металлом (рис. 17, д).

Шаблонная формовка (рис. 18) применяется для получения отливок, имеющих конфигурацию тел вращения в единичном производстве. Шаблон – профильная доска.

а

б

в

г

д

е

Рис. 18. Шаблонная формовка

В уплотненной формовочной смеси вращением шаблона 1, закрепленного на шпинделе 2 при помощи серьги 3, оформляют наружную поверхность отливки (рис. 18, в) и используют ее как модель для формовки в опоке верхней полуформы 6 (рис. 18, г). Снимают серьгу с шаблоном, плоскость разъема покрывают разделительным слоем сухого кварцевого песка, устанавливают модели

51

литниковой системы, опоку, засыпают формовочную смесь и уплотняют ее. Затем снимают верхнюю полуформу. В подпятник 7 устанавливают шпиндель с шаблоном 4, которым оформляют нижнюю полуформу, сжимая слой смеси, равный толщине стенки отливки (рис. 18, д). Снимают шаблон, удаляют шпиндель, отделывают болван и устанавливают верхнюю полуформу (рис. 18, е). В готовую литейную форму заливают расплавленный металл.

Формовкой в кессонах получают крупные отливки массой до 200 т. Кессон – железобетонная яма, расположенная ниже уровня пола цеха, водонепроницаемая для грунтовых вод. Механизированный кессон имеет две подвижные и две неподвижные стенки из чугунных плит. Дно состоит из полых плит, которые можно продувать для ускорения охлаждения отливок. Кессон имеет механизм для передвижения стенок и приспособлен для установки и закрепления верхней полуформы.

Машинная формовка используется в массовом и серийном производстве, а также для мелких серий и отдельных отливок. Она повышает производительность труда, улучшает качество форм и отливок, снижает брак, облегчает условия работы. По характеру уплотнения различают машины: прессовые, встряхивающие и другие.

Уплотнение прессованием может осуществляться по различным схемам, выбор которой зависит от размеров формы моделей, степени и равномерности уплотнения и других условий.

В машинах с верхним уплотнением (рис. 19, а) уплотняющее давление действует сверху. При подаче сжатого воздуха в нижнюю часть цилиндра 1 прессовый поршень 2, стол 3 с прикрепленной к нему модельной плитой 4 с моделью поднимается. Прессовая колодка 7, закрепленная на траверсе 8, входит в наполнительную рамку 6 и уплотняет формовочную смесь в опоке 5. После прессования стол с модельной оснасткой опускают в исходное положение.

У машин с нижним прессованием формовочная смесь уплотняется самой моделью и модельной плитой.

Уплотнение встряхиванием происходит в результате многократно повторяющихся встряхиваний (рис. 19, б). Под действием сжатого воздуха, подаваемого в нижнюю часть цилиндра 1, встряхивающий поршень 2 и стол с закрепленной на нем модельной плитой 4 с моделью поднимается на 30¶100 мм до выпускного отверстия, затем падает. Формовочная смесь в опоке 5 и наполнительной рамке 6 уплотняется в результате появления инерционных сил. Способ характеризует-

52

ся неравномерностью уплотнения, которое устраняется допрессовкой с уплотнением верхних слоев.

а б

Рис. 19. Схемы способов уплотнения литейных форм при машинной формовке: а – прессованием; б – встряхиванием

Уплотнение пескометом осуществляется рабочим органом пескомета – метательной головкой. Формовочная смесь подается в головку непрерывно. Пескомет обеспечивает засыпку смеси и ее уплотнение. При вращении ковша (1000¶1500 мин–1) формовочная смесь выбрасывается в опоку со скоростью 30¶60 м/с. Метательная головка может перемещаться над опокой. Пескомет – высокопроизводительная формовочная машина, его применяют при изготовлении крупных отливок в опоках и кессонах.

Безопочная автоматическая формовка используется при изготовлении форм для мелких отливок из чугуна и стали в серийном и массовом производстве. Изготовление литейных форм осуществляется на высокопроизводительных пескодувно-прессовых автоматических линиях (рис. 20).

а б

Рис. 20. Изготовление безопочных литейных форм на автоматической линии

53

Формовочная камера заполняется смесью с помощью сжатого воздуха из головки 2 (рис. 20, а). Уплотнение осуществляется при перемещении модельной плиты 1 плунжером 4. После уплотнения поворотная модельная плита 3 отходит влево и поворачивается в горизонтальное положение (рис. 20, б). Полуформа перемещается плунжером 4 до соприкосновения с предыдущим комом, образуя полость 5. Затем производят заливку металла из ковша 6. После затвердевания и охлаждения отливок, формы подаются на выбивную решетку, где отливки 7 освобождаются от формовочной смеси.

2.4.1.6. Изготовление стержней

Изготовление стержней осуществляется вручную или на специальных стержневых машинах из стержневых смесей.

Изготовление стержней включает операции: формовка сырого стержня, сушка, окраска сухого стержня. Если стержень состоит из нескольких частей, то после сушки их склеивают.

Ручная формовка осуществляется в стержневых ящиках. В готовых стержнях выполняют вентиляционные каналы. Для придания стержням необходимой прочности используются арматурные каркасы из стальной проволоки или литого чугуна.

Готовые стержни подвергаются сушке при температуре 200¶230 ¸С, для увеличения газопроницаемости и прочности. Во время сушки из стержня удаляется влага, частично или полностью выгорают органические примеси.

Часто стержни изготавливают на пескодувных машинах. При использовании смесей с синтетическими смолами, стержни изготавливают в нагреваемой оснастке.

Изготовление стержней из жидкостекольных смесей состоит в химическом отверждении жидкого стекла путем продувки стержня углекислым газом. Эти смеси повышают производительность и снижают себестоимость изготовления стержней, однако они трудновыбиваемые.

2.4.1.7. Приготовление расплава

Приготовление литейных сплавов связано с плавлением различных материалов. Для получения заданного химического состава и определенных свойств, в сплав в жидком или твердом состоянии вводят специальные легирующие элементы: хром, никель, марганец, титан и др.

54

Для плавления чугуна и стали в качестве исходных материалов применяют литейные или передельные доменные чугуны, чугунный и стальной лом, отходы собственного производства, а также для понижения температуры плавления и образования шлаков – флюсы (известняк).

Чугуны в основном выплавляют в вагранках. В последнее время развивается плавка в электрических печах, а также дуплекспроцесс, в особенности вариант вагранка – индукционная печь.

Плавку стали ведут в электродуговых, индукционных и плаз- менно-индукционных печах.

Для плавления цветных металлов используют как первичные, полученные на металлургических заводах, так и вторичные, после переплавки цветного лома, металлы и сплавы, а также – флюсы (хлористые и фтористые соли).

Для плавления применяют индукционные печи промышленной частоты, электрические печи сопротивления. Плавку тугоплавких металлов и сплавов ведут в вакууме или в среде защитных газов.

2.4.1.8. Сборка и заливка литейной формы

Сборка литейной формы включает: установку нижней полуформы; установку стержней, устойчивое положение которых обеспечивается стержневыми знаками; контроль отклонения размеров основных полостей формы; установку верхней полуформы по центрирующим штырям; фиксация верхней и нижней полуформ крепежными элементами, скобами или грузом.

Заливка форм расплавленным металлом осуществляется из ковшей чайникового, барабанного и других типов. Температуру расплавленного металла назначают на 100¶150 ¸C выше температуры плавления. Низкая температура увеличивает опасность незаполнения формы, захвата воздуха, ухудшения питания отливок. При высокой температуре металл больше насыщен газами, сильнее окисляется, возможен пригар на поверхности отливки. Заливку ведут непрерывно с условием заполненной постоянно литниковой чаши (воронки).

2.4.1.9. Охлаждение, выбивка и очистка отливок

Охлаждение отливок до температуры выбивки длится от нескольких минут (для небольших тонкостенных отливок) до не-

55

скольких суток и недель (для крупных толстостенных отливок). Для сокращения продолжительности охлаждения используют методы принудительного охлаждения: обдувают воздухом; при формовке укладывают змеевики, по которым пропускают воздух или воду.

Выбивка отливки – процесс удаления затвердевшей и охлажденной до определенной температуры отливки из литейной формы, при этом литейная форма разрушается. Осуществляют на специальных выбивных установках. Форма выталкивается из опоки выталкивателем на виброжелоб, по которому направляется на выбивную решетку, где отливки освобождаются от формовочной смеси. Выбивку стержней осуществляют вибрационно-пневматическими и гидравлическими устройствами.

Обрубка отливок – процесс удаления с отливки прибылей, литников, выпоров и заливов по месту сопряжения полуформ. Осуществляется пневматическими зубилами, ленточными и дисковыми пилами, при помощи газовой резки и на прессах.

После обрубки отливки зачищают, удаляя мелкие заливы, остатки выпоров и литников. Выполняют зачистку маятниковыми и стационарными шлифовальными кругами, пневматическими зубилами.

Очистка отливок – процесс удаления пригара, остатков формовочной и стержневой смесей с наружных и внутренних поверхностей отливок. Осуществляется в галтовочных барабанах периодического или непрерывного действия (для мелких отливок), в гидропескоструйных и дробеметных камерах, а также химической или электрохимической обработкой.

2.4.2. Специальные способы литья

В современном литейном производстве все более широкое применение получают специальные способы литья: в оболочковые формы, по выплавляемым моделям, кокильное, под давлением, центробежное и другие. Эти способы позволяют получать отливки повышенной точности, с малой шероховатостью поверхности, минимальными припусками на механическую обработку, а иногда полностью исключают ее, что обеспечивает высокую производительность труда, и повышение коэффициента использования металла. Каждый специальный способ литья имеет свои особенности, определяющие области применения.

2.4.2.1. Литье в оболочковые формы

Литье в оболочковые формы – процесс получения отливок из

56

расплавленного металла в формах, изготовленных по горячей модельной оснастке из специальных песчано-смоляных смесей. Формовочную смесь приготовляют из мелкого кварцевого песка с добавлением термореактивных связующих материалов. Технологические операции формовки при литье в оболочковые формы представлены на рис. 21.

а

б

в

г д

Рис. 21. Технологические операции формовки при литье в оболочковые формы

Металлическую модельную плиту 1 с моделью нагревают в печи до 200¶250 ¸C. Затем плиту 1 закрепляют на опрокидывающемся бункере 2 с формовочной смесью 3 (рис. 21, а) и поворачивают на 180¸ (рис. 21, б). Формовочную смесь выдерживают на плите 10¶30 с. Под действием теплоты, исходящей от модельной плиты, термореактивная смола в приграничном слое расплавляется, склеивает песчинки и отвердевает с образованием песчано-смоляной оболочки 4, толщиной 5¶15 мм. Бункер возвращается в исходное положение (рис. 21, в), излишки формовочной смеси осыпаются с оболочки. Модельная плита

сполутвердой оболочкой 4 снимается с бункера и прокаливается в печи при температуре 300¶350 ¸C, при этом смола переходит в твердое необратимое состояние. Твердая оболочка снимается с модели

спомощью выталкивателей 5 (рис. 21, г). Аналогичным образом получают вторую полуформу.

Для получения формы полуформы склеивают или соединяют другими способами, например при помощи струбцин, скоб и т.д. Собранные формы небольших размеров с горизонтальной плоскостью

57

разъема укладывают на слой песка. Формы с вертикальной плоскостью разъема 6 и крупные формы для предохранения от коробления и преждевременного разрушения устанавливают в контейнеры 7 и засыпают чугунной дробью 8 или сухим песком (рис. 21, д).

Литье в оболочковые формы обеспечивает высокую геометрическую точность отливок, малую шероховатость поверхностей, снижает расход формовочных материалов (высокая прочность оболочек позволяет изготавливать формы тонкостенными) и объем механической обработки, является высокопроизводительным процессом.

Воболочковых формах изготавливают отливки массой 0,2¶100 кг

столщиной стенки 3¶15 мм из всех литейных сплавов для приборов, автомобилей, металлорежущих станков в крупносерийном и массовом производстве.

2.4.2.2. Литье по выплавляемым моделям

Литье по выплавляемым моделям (рис. 22) – процесс получения отливок из расплавленного металла в формах, рабочая полость которых образуется благодаря удалению (вытеканию) легкоплавкого материала модели при ее предварительном нагревании.

а

б

в

г

д

е ж з

Рис. 22. Технологические операции процесса литья по выплавляемым моделям

58

Выплавляемые модели изготавливают в пресс-формах 1 (рис. 22, а) из модельных составов, включающих парафин, воск, стеарин, жирные кислоты. Состав хорошо заполняет полость пресс-формы, дает четкий отпечаток. После затвердевания модельного состава прессформа раскрывается и модель 2 (рис. 22, б) выталкивается в холодную воду. Затем модели собираются в модельные блоки 3 (рис. 22, в) с общей литниковой системой припаиванием, приклеиванием или механическим креплением. В один блок объединяют от 2 до 100 моделей.

Формы изготавливают многократным погружением модельного блока 3 в специальную жидкую огнеупорную смесь 5, налитую в емкость 4 (рис. 22, г), с последующей обсыпкой кварцевым песком (рис. 22, д). Затем модельные блоки сушат на воздухе или в среде аммиака. Обычно наносят от 3 до 5 слоев огнеупорного покрытия с последующей сушкой каждого слоя.

Модели из форм удаляют, погружая в горячую воду или с помощью нагретого пара (рис. 22, е). После удаления модельного состава тонкостенные литейные формы устанавливаются в опоке, засыпаются кварцевым песком, а затем прокаливают в печи в течение 6¶8 ч при температуре 850¶950 ¸C для удаления остатков модельного состава, испарения воды (рис. 22, ж).

Заливку форм по выплавляемым моделям производят сразу же после прокалки в нагретом состоянии (рис. 22, з). Заливка может быть свободной, под действием центробежных сил, в вакууме и т.д. После затвердевания залитого металла и охлаждения отливок форма разрушается, отливки отделяют от литников механическими методами, направляют на химическую очистку, промывают и подвергают термической обработке.

Литье по выплавляемым моделям обеспечивает получение точных и сложных отливок из различных сплавов массой 0,02¶100 кг с толщиной стенки 0,5¶5,0 мм. Применяется в крупносерийном и поточном массовом производстве, а также в мелкосерийном производстве, когда отливку другим способом получить невозможно.

Позволяет получать отливки из любых сплавов, в том числе из жаропрочных, с минимальными припусками на механическую обработку (0,2¶0,7 мм), дает возможность снизить трудоемкость изготовления деталей, уменьшить отходы дорогостоящих и дефинитных металлов, а также объединить отдельные детали в целые неразъемные литые узлы. Технологический процесс автоматизирован и механизирован.

Недостатком является сложность и длительность процесса производства отливок, применение специальной дорогостоящей оснастки.

59

2.4.2.3. Литье в металлические формы

Литье в металлические формы (кокили) получило большое распространение. Этим способом получают более 40 % всех отливок из алюминиевых и магниевых сплавов, отливки из чугуна и стали.

Литье в кокиль – изготовление отливок из расплавленного металла в металлических формах-кокилях.

Формирование отливки происходит при интенсивном отводе теплоты от расплавленного металла, от затвердевающей и охлаждающейся отливки к массивному металлическому кокилю, что обеспечивает более высокие плотность металла и механические свойства, чем у отливок, полученных в песчаных формах.

Рабочую поверхность кокиля с вертикальной плоскостью разъема (рис. 23), состоящую из поддона 1, двух симметричных полуформ 2 и 3 и металлического стержня 4, предварительно нагретую до 150¶180 ¸C, покрывают из пульверизатора 5 слоем огнеупорного покрытия (рис. 23, а) толщиной 0,3¶0,8 мм. Покрытие предохраняет рабочую поверхность кокиля от резкого нагрева и схватывания с отливкой. Покрытия приготовляют из огнеупорных материалов (тальк, мел, графит), связующего материала (жидкое стекло) и воды. Затем с помощью манипулятора устанавливают песчаный стержень 6, с помощью которого в отливке выполняется полость (рис. 23, б). Половинки кокиля соединяют и заливают расплав. После затвердевания отливки 7 (рис. 23, в) и охлаждения ее до температуры выбивки кокиль раскрывают (рис. 23, г) и протягивают вниз металлический стержень 4. Отливка 7 удаляется манипулятором из кокиля (рис. 23, д).

а б в г д

Рис. 23. Технологические операции изготовления отливки в кокиль

Отливки простой конфигурации изготовляют в неразъемных кокилях, несложные отливки с небольшими выступами и впадинами на наружной поверхности – в кокилях с вертикальным разъемом. Крупные, простые по конфигурации отливки получают в кокилях